文献解读：合成菌群通过调节根际微生物群落促进辣椒生长和根系形态

摘 要：

合成微生物群落（SynCom）的应用可有效促进作物产量和土壤健康。然而，目前关于通过SynCom调节根际微生物群落来促进辣椒生长的研究相对较少。本研究旨在利用高通量测序技术，研究在苗期进行SynCom接种使如何通过调节根际微生物组来影响辣椒生长。结果显示，与对照组相比，SynCom接种显著提高了辣椒的株高（20.9%）、茎粗（36.33%）、鲜重（68.84%）、干重（64.34%）、叶绿素含量（29.65%）、叶片数（27.78%）、根系活力（117.42%）、根尖数（35.4%）、总根长（21.52%）以及根系表面积（39.76%）。接种SynCom显著增加了根际微生物群落的Chao指数以及真菌群落的Bray-Curtis差异性，而细菌群落的Bray-Curtis差异性则显著降低。接种SynCom后，赛多孢菌属（Scedosporium）、粪壳菌纲（Sordariomycetes）、假节杆菌属（Pseudarthrobacter）、未分类SBR1031菌群（norankSBR1031）和未分类A4b菌群（norankA4b）等关键微生物类群的相对丰度显著提高，且辣椒生长指标呈正相关。本研究结果表明，接种SynCom可通过调节根际微生物群落结构以及增加关键微生物类群的丰度（如Sordariomycetes和Pseudarthrobacter），有效促进辣椒生长并调节根系形态，从而利于作物的养分获取能力、抗性提高和抗病性，确保持续性。

研究背景：

辣椒是中国种植面积最广的蔬菜，种植面积达82.7万公顷，约占全球辣椒总产量的46%。近年来，随着集约化农业的扩张，不合理使用化肥和农药以及长期连作等现象日益突出。这些因素导致辣椒单产量下降、病害严重发生以及土壤质量恶化，威胁到辣椒产业的可持续发展。有益微生物菌剂可通过多种机制促进植物生长，例如增强养分吸收、植物激素生成、铁载体分泌、微生物群落构建、激活本土微生物、抗菌化合物合成以及植物抗性诱导等。然而，由于田间条件复杂，合成微生物群落（SynCom）的应用常导致接种物种功能受限、定殖能力差、存活率低。因此，需要探索更有效的策略来提高接种剂的效率，以满足蔬菜可持续发展的需求。

土壤中的有益微生物通过多种机制促进植物生长，如增强养分吸收、植物激素产生、铁载体分泌、微生物群落构建、激活本土微生物、合成抗菌化合物以及诱导植物抗性。以往的研究强调在苗期接种有益微生物是一种有效的方法，可以促进植物生长、减少病害并提高植物的抗性。例如，研究发现解淀粉芽孢杆菌（Bacillus amyloliquefaciens）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）能通过改变微生物群落的组成和功能和促进种子萌发、细胞发育以及幼苗生长。烟碱节杆菌（Arthrobacter nicotionovorans）和粘液假单胞菌（Pseudomonas mucilaginosa）能够通过IAA生物合成、磷溶解、钾释放以及氮固定等过程刺激黄瓜、辣椒和人参的生长，并且显著影响根际微生物群落的组成和结构。长枝木霉（Trichoderma longibrachiatum）和绿色木霉（Trichoderma viride）通过产生多种酶和信号物质，在植物根部表现出超寄生现象，促进黄瓜生长、病原菌细胞裂解和宿主植物的系统抗性。哈茨木霉（Trichoderma harzianum）与植物之间的相互作用可以产生多种信号物质，例如过氧化物酶、有机酸、氨基酸、几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶、挥发性有机化合物（VOCs）、莽草酸途径的次生代谢产物和ATP结合渗透转运蛋白。这些物质可以调节植物的结构形态并减少宿主细胞毒素的积累。接种剂与植物根系之间的相互作用所表现出的代谢特征，对于促进根际微生物群落的构建以及确保其促生长功能的发挥至关重要。例如，荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）可以分泌挥发性有机化合物，包括抗毒素类萜烯和其他化合物，以促进植物生长和抗病原体。类似地，木霉菌（Trichoderma）的生物合成有助于通过产生水杨酸、茉莉酸、乙烯、一氧化氮、无毒效应因子和小分子分泌型富含半胱氨酸的蛋白质等物质来诱导复杂的信号网络响应，这些物质促进植物的生长发育和防御相关基因的表达。然而，由于接种剂在土壤中的存活能力和定殖能力较弱，在促进植物生长方面的有效性可能不稳定。

SynCom的应用通过抑制病原体、招募有益本土微生物、改变根际微生物群落组成和增强植物抗逆性，从而促进土壤健康和作物生产力，减少化学肥料和农药的使用。与单一功能菌株相比，SynCom接种到幼苗基质和土壤中能更有效地促进作物生长，这通过扩展代谢物的种类和改善微生物群落构建的协同效应来实现。有研究开发了一种SynCom，通过调节微生物群落有效刺激根系生物量并预防黄芪菌（Astragalus）根腐病，其中高丰度细菌负责增强植物生长和根系形态，而低丰度细菌诱导系统抗性。

SynComs通过提高土壤氮含量、分泌植物生长调节剂以及改善养分吸收效率、土壤微生物群落结构和生物活性，在番茄、黄瓜和西瓜等多种作物中展现出显著的促生长效果。SynComs通过互补利用营养资源、协同调整根际微生物群落结构、恢复群落多样性、提高有益本土微生物菌株的优势，从而促进植物生长和发育。有meta分析表明，与单一菌株接种相比，合成微生物群落的应用显著提高了植物生长。Trichoderma harzianum、Bacillus subtilis和蚕豆根瘤菌（Rhizobium leguminosarum biovar viciae）的组合能够协同调控根系发育并提高蚕豆的产量。Trichoderma viride和Trichoderma harzianum的组合显著提高了黑胡椒的叶面积指数、叶片数、株高和根长。然而，SynCom接种对辣椒生长的影响迄今为止仍不清楚。

在本研究中，将由Bacillus subtilis、Trichoderma harzianum、棘孢木霉（Trichoderma asperellum）和曲霉菌（Aspergillus sp）组成的SynCom接种到辣椒育苗基质中，研究其促进辣椒生长的效果。主要目标是解决以下问题：（1）接种SynCom在促进辣椒生长方面的效率如何？（2）哪些根际微生物群落的特征对促进辣椒生长起到了关键作用？

研究方法：

实验设计对照组和SynCom接种组两种处理。每种处理由三个重复的育苗托盘组成。在人工气候室内培养5天，光照16 h（28 °C）和黑暗8 h（28 °C），确保光合有效辐射为300 mmol/m²/s，相对湿度保持在80%。培养5天后，将新制备的SynCom以1 × 10⁷ CFU/g的浓度接种到土壤中。培养45天后，从每种处理中随机选取六株，用于测量辣椒生长相关指标、进行根系扫描、测定根系活力，并收集根际土壤样本进行DNA提取，用于后续的高通量测序分析。

主要研究结果：

1. SynCom接种显著促进辣椒生长和根系发育

SynCom接种显著促进了辣椒幼苗的生长（图1）。与对照组相比，经过45天的培养后，SynCom接种显著提高了辣椒的株高（20.9% ± 0.018）、茎粗（36.33% ± 0.053）、鲜重（68.84% ± 0.035）、干重（64.34% ± 0.014）、叶绿素含量（29.65% ± 0.011）和叶片数量（27.78% ± 0.56）（图1，P < 0.05）。

此外，SynCom接种显著改善了根系的生长和发育（图2）。与对照组相比，经过45天的培养后，辣椒的根活力、根尖数、总根长度和根表面积分别显著增加了117.42% ± 0.092、35.4% ± 0.052、21.52% ± 0.028和39.76% ± 0.027。SynCom接种对辣椒的生长、根系活力和根系形态有显著的影响，最终提高了辣椒产量和抗逆性。

图 1. SynCom接种对辣椒幼苗生长的影响。（a）在45天培养后，辣椒幼苗在接种SynCom的育苗基质上的生长情况。（b）SynCom接种对辣椒植株株高的影响。（c）SynCom接种对辣椒植株茎粗的影响。（d）SynCom接种对辣椒植株鲜重的影响。（e）SynCom接种对辣椒植株干重的影响。（f）SynCom接种对辣椒植株叶绿素含量的影响。（g）SynCom接种对辣椒植株叶片数量的影响。

图 2. SynCom接种对辣椒根系形态的影响。（a）SynCom接种对育苗基质中根系生长发育的影响。（b）利用根系扫描仪研究SynCom接种对根系生长和发育的影响。（c）SynCom 接种对辣椒植株根系活力的影响。（d）SynCom 接种对辣椒植株根尖数的影响。（e）SynCom 接种对辣椒植株总根长的影响。（f）SynCom 接种对辣椒植株根系表面积的影响。

1. SynCom接种改变根际微生物群落多样性和结构

SynCom接种显著提高了根际微生物群落的Chao指数（图3）。然而，在两种处理之间，根际真菌群落的Shannon指数和Simpson指数没有观察到显著差异。在SynCom接种下，根际微生物群落的β多样性表现出显著变化，包括真菌群落的Bray-Curtis差异性显著增加和细菌群落的Bray-Curtis差异性降低。就细菌群落组成而言，黄杆菌属（Flavobacterium）和Pseudarthrobacter在两种处理中均为最为丰富的属。接种SynCom显著增加了根际微生物群落的组成，但并未显著改变微生物的丰富度和均匀度。在真菌群落组成方面，嗜热丝孢菌属（Mycothermus）和Sordariomycetes在两种处理中均为最为丰富的属。

SynCom接种增加了Sordariomycetes、佐普菲菌属（Zopfiella）、蛛网菌属（Arachniotus）和罗尔菌门（Roellomycota）的丰度，同时相对于对照组降低了Mycothermus、丝衣霉属（Byssochlamys）、赛多孢霉属（Scedosporium）和小叶菌纲（Lobulomycetes）的丰度（图4）。在细菌群落组成方面，SynCom接种增加了Pseudarthrobacter、norank SBR1031、norank A4b和芽孢杆菌属（Bacillus）的丰度，同时减少了Flavobacterium、假单胞菌属（Pseudomonas）、丛毛单胞菌科（Comamonadaceae）、马赛菌属（Massilia）、食酸菌属（Acidovorax）和红球菌属（Rhodococcus）的丰度。值得注意的是，Sordariomycetes的相对丰度在SynCom接种下显著增加，而Byssochlamys和Scedosporium的相对丰度则显著减少。同样地，在SynCom接种下，细菌Pseudarthrobacter的相对丰度显著增加，而Acidovorax和Rhodococcus的相对丰度则显著降低。通过相关性分析，探讨了细菌和真菌群落中前10个属之间的关系，随后通过Mantel检验研究这些属对辣椒生长和根系形态的潜在影响。Sordariomycetes、Pseudarthrobacter、norank SBR1031和norank A4b的丰度与辣椒的生长和根系形态显著相关（图4）。因此，SynCom接种下真菌多样性的Chao指数和Bray-Curtis差异性较高，Sordariomycetes、Pseudarthrobacter、norank SBR1031和norank A4b的丰度增加，可能在辣椒的生长和根系形态中发挥关键作用。

图 3. SynCom接种对根际微生物群落多样性的影响。（a）两种处理的真菌Chao指数。（b）两种处理的真菌Shannon指数。（c）两种处理的真菌Simpson指数。（d）两种处理的细菌Chao指数。（e）两种处理的细菌Shannon指数。（f）两种处理的细菌Simpson指数。（g）使用主坐标分析（PCoA）对根际真菌群落的β多样性进行分析。（h）使用主坐标分析（PCoA）对根际细菌群落的β多样性进行分析。（i）根际真菌群落的Bray-Curtis差异性。（j）根际细菌群落的Bray-Curtis差异性。

图 4. SynCom 接种对根际微生物群落组成多样性的影响。（a）SynCom接种对真菌群落组成在属水平上的影响。（b）SynCom接种对细菌群落组成在属水平上的影响。（c）处理组间真菌在属水平上相对丰度的显著差异。（d）处理组间细菌属水平上相对丰度的显著差异。（e）两种处理下微生物群落物种组成显著差异与辣椒生长和发育的相关性分析。

3.关键微生物类群对辣椒生长的贡献

在对照组和SynCom接种处理组中，分别鉴定出1073个真菌和7039个细菌操作分类单元（OTUs）。被分类为Scedosporium的OTU451，被分类为Sordariomycetes的OTU346、OTU439、OTU437、OTU381、OTU447和OTU182，被分类为Pseudarthrobacter的OTU2309，被分类为norank SBR1031的OTU3060和OTU2704，以及被分类为norank A4b的OTU3638、OTU3534和OTU2118的丰度在SynCom接种下显著增加，而被分类为Rhodococcus的OTU327的丰度则显著减少（图5）。

随机森林分析显示，OTU451、OTU182、OTU346、OTU2309和OTU3638被鉴定为对辣椒株高影响最重要的贡献者，OTU3060、OTU2704和OTU2118也在株高方面发挥了重要作用。同样，OTU2309、OTU451、OTU2118和OTU3060的丰度被强调为关键贡献者，而OTU2704、OTU346、OTU182和OTU3638在决定辣椒干重方面具有显著性。此外，OTU2118和OTU182作为影响叶绿素含量的突出因素出现，而OTU346、OTU2704、OTU3638、OTU2309、OTU451和OTU3060也在其中发挥了重要作用。

OTU3638、OTU2704和OTU2118的丰度对根系活力的活性产生了显著影响（图5）。因此，SynCom的接种显著增加了关键物种的丰度，包括Scedosporium（OTU451）、Sordariomycetes（OTU346、OTU439、OTU437、OTU381、OTU447和OTU182）、Pseudarthrobacter（OTU2309）、norank SBR1031（OTU3060、OTU2704）和norank A4b（OTU3638、OTU3534、OTU2118），对促进辣椒生长和根系形态方面发挥了关键作用。

图 5. 微生物群落特征对辣椒幼苗生长和发育的影响。（a）两种处理的OTUs中真菌相对丰度的显著差异。（b）两种处理的OTUs中细菌相对丰度的显著差异。（c）微生物群落中重要OTUs对辣椒株高的相对重要性。（d）微生物群落中重要OTUs对辣椒干重的相对重要性。（e）微生物群落中重要OTUs对辣椒叶绿素含量的相对重要性。（f）微生物群落中重要OTUs对根系活力活性的相对重要性。

结 论：

结果表明，接种SynCom显著促进了辣椒的生长量、根系活力和根系形态。SynCom促进辣椒生长的机制包括改变了微生物多样性并富集了关键的本土微生物类群（图6）。首先，SynCom接种会增加真菌群落的Chao指数和Bray-Curtis差异性，同时降低细菌群落的Bray-Curtis差异性，这种变化根际微生物群落的组成，有利于根际微生物群落的富集。

其次，SynCom接种会选择性地增加关键类群的丰度，包括Scedosporium、Sordariomycetes、Pseudarthrobacter、norank SBR1031和norank A4b，这些类群有助于辣椒的生长和根系形态的调控。因此，接种SynCom通过调节辣椒苗期根际微生物群落的多样性和增加关键类群（如Sordariomycetes和Pseudarthrobacter）的丰度，为促进辣椒生长和调控根系形态提供了一种有效的方法，从而在移栽后有利于辣椒的健康和生产力。

图 6. 关键微生物物种对促进辣椒生长和根系形态的调节示意图。